20-03-2013_10-45-00 / 1-2 материалы

Процесс контролируемого внедрения примесей в полупроводник называется легированием. Управлять электропроводностью кристалла могут примеси внедрения и замещения.

Фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (5 валентные)– наиболее распространенные вещества, применяемые для кристаллов кремния и германия в качестве донорных примесей. Легирование собственного полупроводника донорной примесью изменяет проводимость полупроводника на электронную (n-типа). При ионизации донорного атома возникают подвижные носители заряда электроны проводимости - основные носители заряда, в этом случае в полупроводнике остаются и дырки- неосновные. На энергетической диаграмме полупроводника n–типа уровень Ферми располагается в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости. (рис. окно 5 , ф.4 в окне 6). С увеличением концентрации донорной примеси в полупроводнике уровень Ферми приблизится ко дну зоны проводимости. При увеличении концентрации донорной примеси выше критической Уровень Ферми заходит в зону проводимости (вырожденные п/п).

Бор, алюминий, галлий, индий (III-валентные) – наиболее распространенные вещества, применяемые для кристаллов кремния и германия в качестве акцепторных примесей Легирование собственного полупроводника акцепторной примесью изменяет проводимость полупроводника на дырочную (р-типа), основные носители заряда – дырки, неосновные – электроны,т.е. с увеличением концентрации акцепторной примеси концентрация дырок увеличится, концентрация электронов проводимости уменьшится. Энергия ионизации примесных атомов меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника. Удельное сопротивление примесных полупроводников (хоть p-, хоть n‑ типа) меньше, чем собственных, соответственно проводимость больше. На энергетической диаграмме полупроводника р–типа уровень Ферми располагается в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны. (ф.6 в окне 6). С увеличением концентрации акцепторной примеси в полупроводнике уровень Ферми приблизится к потолку валентной зоны. Уровень Ферми на энергетической диаграмме полупроводника р-типа при увеличении концентрации акцепторной примеси выше критической заходит в валентную зону (вырожденные п/п). Уровень Ферми при повышении температуры смещается в направлении середины запрещенной зоны, т.е электропроводность стремится к собственной… Появление собственной электропроводности в примесных полупроводниках ухудшает параметры ЭП.

Процесс переноса заряда в п/п может наблюдаться при наличии электронов как в ЗП, так и в ВЗ. Движение носителей заряда под действием ЭП в кристалле п/п называется дрейфом. Векторы скорости дрейфа дырок и напряжённости электрического поля сонаправлены (ф.2, окно 9). Векторы скорости дрейфа электронов проводимости и Е направлены противоположно. Плотность дрейфового тока J_др в п/п прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, обратно ~ уд. сопротивлению (закон Ома в дифференциальной форме j_др = sЕ, где s – уд. проводимость.ф.8, окно 9).

Направленное движение носителей заряда в п/п, обусловленное неравномерным их распределением, называется диффузией. Вектор плотности тока диффузии дырок (электронов) направлен в направлении уменьшения концентрации дырок (электронов проводимости). Удельная электропроводность примесных п/п определяется ф.5, окно 9.

(окно 7) Диэлектрики –вещества с наибольшим уд. сопротивлением, которое при увеличении t уменьшается. Основным свойством является способность к поляризуемости, которая используется в активных диэлектриках (сегнето, пара-, пироэлектрики, электреты). Пассивные диэлектрики используются в качестве изоляции, а так же в конденсаторах (слой между двумя проводниковыми пластинами). Газообрзные исп. для изоляции и в качестве хладагентов (воздух, водород, элегаз, азот, неон, аргон). К жидким относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторое) и синтетические жидкие диэлектрики (хлордифинилы: совол, гексол; кремнийорганические; фторорганические жидкости). К твердым органическим диэл. относятся полимеры (высокомолекулярные соединения, совокупность большого количества имеющих одинаковое строение групп атомов, которые получаются в результате объединения друг с другом молекул сравнительно простых по своему составу веществ – мономеров), которые получают методами поликонденсации (процесс соединения мономеров с образованием полимера и выделением побочного продукта реакции) и полимеризации (без выделения побочных продуктов) при этом молекулярная масса и вязкость увеличивается, возрастает t_{плавления} и t_{кипения} (стирол – жидкий углеводород – полистирол – твердое вещество). Полимеры делят на 2 группы - линейные (сравнительно гибки и эластичны, при повышении t размягчаются, а затем расплавляются, растворяются в растворителях) и пространственные (обладают большей жесткостью, размягчаются лишь при высоких t и многие разрушаются не достигая t размягчения. Не растворимы в растворителях). Полимеры полученные поликонденсацией пространственной структуры: Фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и полиамидные смолы. Пластмассы обладают высокими механическими характеристиками для изделий, не подвергающихся динамическим нагрузкам, хорошими э/из.свойствами, стойкостью к коррозии, химостойкостью, низкой гигроскопичностью. Электроизоляционные лаки это растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел, эфиров целлюлозы или композиций этих материалов в органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. По своему назначению электроизоляционные лаки делят на: пропиточные, покровные и клеящие. Эмали представляют собой лаки с введенными в них пигментами — неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик и др.). Пигменты вводятся с целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дутостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали относятся к покровным материалам. Компаунды представляют собой изоляционные составы, которые в момент использования бывают жидкими, а затем отвердевают. Компаунды не имеют в своем составе растворителей. По своему назначению данные составы делятся на: пропиточные и заливочные. Первые из них применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые — для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электромашинах и приборах с целью герметизации. Компаунды бывают термореактивными (не размягчающимися после отвердевания) и термопластичными (размягчающимися при последующих нагревах). Эластомеры полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами, материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ. Из-за малой стойкости к действию t, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы.  К группе волокнистых материалов относятся листовые и рулонные материалы, состоящие из волокон органического (бумага, картон, фибра и ткань) и неорганического происхождения (асбест, стекловолокно:св. негорючесть и высокая нагревостойкость). Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани)- гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким-либо электроизоляционным составом. В качестве пропиточных составов для лакотканей применяют масляные, масляно-битумные, эскапоновые и кремнийорганические лаки, а также кремнийорганические эмали, растворы кремнийорганических каучуков и др. Наибольшей растяжимостью и гибкостью обладают шелковые и капроновые лакоткани. Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппараты и приборы низкого напряжения. Лакоткани используют для гибкой витковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок. Слоистые пластики — материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего (бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции). Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит на кремнийорганических и эпоксидных связующих (наибольшая нагревостойкость, лучшие электрические и механические характеристики, повышенная влагостойкость и стойкость к грибковой плесени). Стекла - неорганические изотропные аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Для волоконных световодов используют чистое (сердцевина) и легированное кварцевое стекло (оболочка). Керамика – группа твердых плотных материалов, получаемых спеканием неорганических солей (хлористые Al, Fe, Mg) с минералами (кварц, глинозем, тальк) и оксидами металлов. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций. Слюда - Природный минерал сложного состава. Достоинство слюды - высокая термостойкость, высокие электроизоляционные характеристики. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl₂(АlSi₃О₁₀)(ОН)₂ и флогопит КMg₃(АlSi₃О₁₀(ОН)₂. Мусковит обладает лучшими э/из.св-вами, более мех.прочен, тверд, гибок и упруг. Многие флогопиты более нагревостойки. Используется как в виде щипаных тонких пластинок, в.т.ч. склееных между собой (миканиты) так и в виде слюдяных бумаг, в.т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты).

(окно 4) Активные диэлектрики: Сегнетоэлектрики - материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля (E). В отсутствии внешнего ЭП сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. Ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом. В пьезоэлектриках возможны 2 эффекта: Прямой пьезоэффект – возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают после снятия напряжений. Обратный пьезоэффект, когда под действием электрического поля возникает механическая деформация кристалла, причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Обратный пьезоэффект не следует смешивать с электрострикцией – деформацией диэлектриков под действием электрического поля E. Электрострикция наблюдается как в твердых диэлектриках, так и жидких, тогда как пьезоэффект наблюдается только в твердых диэлектриках с определенной кристаллической структурой. Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояние после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. В зависимости от способов получения различают: термоэлектреты получают нагреванием материала с последующим охлаждением в сильном ЭП; радиоэлектреты – облучая радиоактивным излучением (неорганич.стекла); электроэлектреты – поляризацией в сильном поле без нагрева; криоэлектреты – при застывании органических растворов в ЭП; механоэлектреты – механической деформацией полимеров; трибоэлектреты- трением полимера (янтарь, эбонит, плексиглас); короноэлектреты - действием поля коронного разряда; фотоэлектреты – освещением. Применяют диэлектрики с большим ρ: полимеры (политетрафторэтилен, поликарбонат, полиметилметакрилат), керамика (титанаты магния и кальция). Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие внешних воздействий. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.

Проводник - вещество, обладающее высокой удельной проводимостью, малым или заданным удельным сопротивлением. Служат для проведения электрического тока (металлы высокой проводимости), изготовления резисторов, электронагревательных элементов (сплавы высокого сопротивления, полупроводниковые композиции).

Основным свойством для проводников является электропроводность (измеряется в См) или удельная проводимость (в См/м), которая с ростом температуры уменьшается (соответственно величина, обратная электропроводности,- сопротивление (Ом) (или удельное сопротивление (Ом×м) - возрастает). Металлы обладают наибольшей теплопроводностью. В некоторых материалах наблюдается свойство сверхпроводимости - при охлаждении их ниже определенной температуры Т _кр (и при определенной напряженности магнитного поля) уменьшается ρ до нуля.(окно11, кривая 4).

(окно 10) Металлы и сплавы высокой проводимости используются для электродов, жил кабелей, проводов, контактов. Сплавы: латунь-(медь и цинк), бронза (медь и любой элемент, кроме цинка и никеля), «дуралюмин» - сплав Al , Cu и Mg (деформируемый прочный сплав, пригодный для штамповки и используемый для изготовления листов, профилей и т.п. ), «силумин», представляющий собой сплав Al с кремнием, с добавкой магния и марганца, пригоден только для литья, т.к. они достаточно текуч, обладает малой усадкой и не образует горячих трещин. Сталь - деформируемый железоуглеродистый сплав, содержание С <2,14% (0,05-1,5%). Сплавы с содержанием C> 2.14 % называются чугуном. В силу своего строения не поддается ковке, зато обладает лучшими литейными качествами, меньшей усадкой, более низкой t плавления (около 1000 °С). Тугоплавкие: ним относятся металлы с tпл> 1700°С. Как правило, они химически устойчивы при низких t, но становятся активными при повышенных (молибден, вольфрам, тантал, титан). К благородным металлам относят золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (рутений Ru, родий Rh, палладий Pd, осмий Os и иридий Ir). Эти металлы названы благородными за их красивый внешний вид и высокую химическую стойкость. Металлы платиновой группы применяются в качестве проводников и контактов для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов ФЭ. Ag применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Ag-контакты нельзя применять в присутствии S и сернистых соединений, а так же рядом с эбонитом и резиной. Ag подвержено эрозии и имеет низкие параметры дуги, контакты могут свариваться при коммутировании больших I, не рекомендуется применять сереб. контакты при большой f включений из-за быстрого износа. Аu часто применяют в виде примесей для увеличения быстродействия, в качестве покрытий. Иридий, рутений и осмий наиболее тугоплавкие и хрупкие. Применяют в качестве легирующих добавок, повышающих прочность Pt и палладия.

Пайку осуществляют с целью создания механически прочного (герметичного) шва, с целью получения постоянного (не разрывного или скользящего) контакта. В качестве высокотемпературных припоев используют сплавы на основе серебра ( ПСР) для пайки ответственных изделий ЭТ (стальных медных серебряных, платиновых деталей, из латуней и бронз) и ПМЦ-36 (36% меди) –медно-цинковые – t плавления от 779 до 920 ⁰. Для низкотемпературной пайки (до 400 град) применяют мягкие припои: оловянно-свинцовые (ПОС) –олова от18% до 90%, ПОССу (с сурьмой) – лучше прочность, ПОСК (с кадмием) – выше проводимость и мех. прочность. Используют для пайки внутренних выводов корпусов микросхем, проволочных выводов навесных элементов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов ИМС…

Для пайки при температурах меньше 100 град. применяют сплав Вуда /Sn-12.5, Pb-25, Bi -50, Cd-12.5 / температура плавления 60,5 0.….не обеспечивают высокой прочности – хрупкие.

Флюсы: растворяют и удаляют окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов, защищают в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный припой от окисления, уменьшают поверхностное натяжение расплавленного припоя, улучшают растекаемость припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей. По действию оказываемому на припаиваемый материал, флюсы делят на: Активные (кислотные)- на основе соляной кислоты, фтористых, хлористых соединений металлов (они активно растворяют оксидные пленки на поверхности металла, благодаря чему обеспечивается хорошая адгезия и высокая механическая прочность спая. Остаток флюса вызывает коррозию спая и основного металла, поэтому их применяют когда возможна тщательная промывка и полное удаление флюса). Бескислотные флюсы – канифоль и на ее основе с добавлением спирта или глицерина. Активированные – на основе канифоли и небольшого кол-ва солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина. Позволяет проводить пайку без предварительного удаления окислов после обезжиривания. Антикоррозийные изготовляют на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии (например, флюс ВТС)

Контактные материалы: для слаботочных контактов обычно используют благородные или тугоплавкие металлы: Ag, Pt, Pa, Au, W и сплавы на основе этих металлов. Для получения неокисляемых, твердых контактов со слабой эрозией в Au добавляют Ag (до 50%), Ni и цирконий, Pt. Для сильноточных контактов чистые металлы не применимы - используют т.н. псевдосплавы, получаемые методами порошковой металлургии. Псевдосплав - спеченная смесь двух порошков, один из которых является более тугоплавким. Используют следующие псевдосплавы: Ag-окись кадмия, Ag -графит, Ag -Ni, Ag -W, Cu-графит, Cu-W. Идеальных материалов для контактов - нет.

Сплавы высокого сопротивления. Помимо высокого R от таких материалов требуются высокая стабильность ρ во времени, малый ТКρ . Желательно, чтобы такие сплавы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов. Манганин - Cu- 85%, Mn- 12% и Ni- 3%; Cплав для образцовых резисторов и для электроизмерительных приборов. Предельная допустимая рабочая t<200°С. Хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Константан

Сплав: 60% меди и 40% никеля; название объясняется значительным постоянством ρ при изменении t (при t<450⁰C). Используют для реостатов, термопар, т.к. в паре с Cu и Fe приобретает большую термо-ЭДС. Сплавы на основе железа -жаростойкие сплавы (для нагревательных элементов печей, плит, паяльников): Нихромы, Ферронихромы, Фехрали, Хромали. Нихромы технологичны: их можно протягивать в тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую t. Хромо-алюминиевые сплавы намного дешевле нихромов, однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки. Они в основном используются для электронагревательных устройств большой мощности.

Наряду с металлами и сплавами в качестве резистивных, контактных и токопроводящих элементов используются неметаллические проводящие материалы (окно12). Прежде всего это проводящие модификации углерода( графит, антрацит, сажа, стеклоуглерод, пиролитический углерод и пр. Для производства электроугольных изделий сырье измельчают в порошок, смешивают со связующим веществом, формуют, обжигают, после чего изделия приобретают механическую прочность и твердость, допускают мех.обработку. Угольные изделия имеют ТК ρ<0. Графит – аллотропная модификация C с малым ρ, значительной теплопроводностью, стойкостью к агрессивным средам, высокой нагревостойкостью, легкостью механической обработки. Изделия из графита могут эксплуатироваться до температуры 2500 град. (Температура плавления 3900). В последние годы открыты новые модификации чистого углерода - т.н. фуллерены. Это соединения многих атомов углерода Сn , где n-60, 70 и т.д. Эти атомы соединены так, что образуется сфера из них, с пустотой внутри. Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах называют нанотрубками. Свойства нанотрубок можно менять 1)путем заполнения их другими веществами, 2)путем изменения хиральности (угла ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки), 3) путем изменения порядка размещения атомов.

Композиционные проводниковые материалы - смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Путем изменения состава и характера распределения компонентов можно управлять электр. свойствами материалов в широких пределах. Особенность – f-зависимость проводимости и старение при длительной нагрузке. Контактолы – используются в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей, маловязкие и пастообразные полимерные композиции, используют для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов на диэлектриках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и др. Керметы – металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Предназначены для изготовления тонкопленочных резисторов. Наиб. распр. получила композиция – Сr-SiO.

(окно 8)Магнитные материалы. Согласно поведению в МП все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 1000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис. Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.  МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного МП. По составу все магнитные материалы делятся на металлические, неметаллические, магнитодиэлектрики. Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов. Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Oпрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(10²-10⁸ Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в ВЧ технике.

Пространство вблизи магнита или проводника, по которому протекает ток, называется магнитным полем (МП), которое характеризуется напряженностью магнитного поля Н, (А/м). Количественную оценку магнитных свойств принято давать по относительной магнитной проницаемости, температуре Кюри- t фазового перехода, при нагреве до которой, вещества теряют магнитные свойства, доменная структура ферромагнетика распадается, спонтанная намагниченность исчезает, ферромагнетик превращается в парамагнетик. Явление гистерезиса – зависимость магнитных свойств от предшествующего состояния. Если рассматривать кривую намагничивания, то можно выделить 3 участка. На I и II уч. наблюдается pост тех доменов, магнитные моменты котоpых оpиентиpованы по полю, размеpы же доменов с моментами, напpавленными пpотив поля, уменьшаются. I стадия обpатима: пpи снятии H домены восстанавливают свои пpежние pазмеpы. На III стадии магнитные моменты доменов повоpачиваются в напpавлении поля. Пpи дальнейшем увеличении H пpоисходит пpоцесс насыщения. "паpапpоцесс". В монокристаллах ферромагнетиков существуют направления легкого и трудного намагничивания. Это явление называется магнитной анизотропией. Росту доменов препятствует магнитострикция - деформация кристаллической решетки под воздействием магнитного поля. Остаточная индукция Вr,(Тл) количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внеш. магн. полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина существенно зависит от формы образца, его кристаллич. структуры, t, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и др. факторов. Степень прямоугольности петли гистерезиса оценивается коэффициентом прямоугольности а=В_r/В_мах. Идеально а=1, реально 0,85…0,98. Коэрцитивная сила Hс (А/м)-напряженность поля, необходимая для изменения индукции МП от значения Br до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографич. и др. видов анизотропии в-ва, наличия дефектов, способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, напр. t. Для размагничивания образца материала необходимо: 1.Чтобы магнитная индукция В достигла нуля

2.Чтобы вектор напряженности магнитного поля Н изменил свое направление на обратное.